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ISME Communications volumen 3, Número de artículo: 57 (2023) Citar este artículo

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Las cianobacterias son bacterias fotosintéticas oxigénicas que realizan una parte sustancial de la producción primaria mundial. Algunas especies son responsables de eventos ambientales catastróficos, llamados florecimientos, que se han vuelto cada vez más comunes en lagos y cuerpos de agua dulce como consecuencia de los cambios globales. La diversidad genotípica se considera esencial para la población de cianobacterias marinas, lo que le permite hacer frente a las variaciones ambientales espacio-temporales y adaptarse a micronichos específicos en el ecosistema. Sin embargo, este aspecto se subestima en el estudio del desarrollo de la floración y se le da poca atención en los estudios de la ecología de las cianobacterias dañinas. Aquí comparamos los genomas de cuatro cepas de Aphanizomenon gracile, una especie de cianobacteria toxinogénica filamentosa (Nostocales) que se encuentra en todo el mundo en agua dulce y salobre. Se aislaron fascículos de tamaño milimétrico de una sola muestra de agua y se han mantenido en cultivo desde 2010. Un estudio comparativo reveló una gran heterogeneidad en el contenido de genes, a pesar de un tamaño de genoma similar y altos índices de similitud. Estas variaciones se asociaron principalmente con elementos genéticos móviles y grupos de genes biosintéticos. Para algunos de estos últimos, el análisis metabolómico confirmó la producción de metabolitos secundarios relacionados, como cianotoxinas y carotenoides, que se cree que juegan un papel fundamental en la aptitud de las cianobacterias. En conjunto, estos resultados demostraron que una floración de A. gracile podría ser una población muy diversa a una escala espacial baja y planteó preguntas sobre los posibles intercambios de metabolitos esenciales entre individuos.

El éxito ecológico de las cianobacterias es en parte el resultado de la diversidad intraespecífica de ecotipos [1,2,3], grupos de individuos que comparten óptimos de crecimiento cercanos para factores ambientales como la temperatura y la intensidad de la luz, que permiten a la población hacer frente a condiciones espaciotemporales. variaciones en su hábitat. Las inferencias filogenéticas basadas en genes únicos (p. ej., espaciador transcrito interno, ITS) o múltiples permiten agrupar estos miembros del ecotipo dentro de un clado, lo que sugiere la selección por capacidades adaptativas. Sin embargo, en términos de contenido genético, los ecotipos también pueden mostrar divergencias significativas entre sí. Por ejemplo, los conjuntos de genes involucrados en la asimilación de fósforo, un factor abiótico esencial para el crecimiento de cianobacterias, divergen entre ecotipos de ecosistemas acuáticos ricos en P o limitados en P [4,5,6]. Para las bien estudiadas especies de cianobacterias Prochlorochoccus marinus (Synechococcales) y Microcystis aeruginosa (Chroococcales), un solo ecotipo también puede contener muchas cepas con distintos genotipos. Esta llamada microdiversidad se basa principalmente en estas especies en una alta plasticidad genómica [7], impulsada en parte por elementos genéticos móviles [7,8,9] y se supone que está involucrada en la adaptación de los individuos a micronichos específicos [10] .

Aphanizomenon gracile es una cianobacteria filamentosa fijadora de nitrógeno capaz de formar fascículos y es responsable de floraciones tóxicas en ecosistemas acuáticos de agua dulce y salobre. Pertenece al orden Nostocales, del que no se dispone de datos sobre diversidad genética intrapoblacional. En este estudio, secuenciamos los genomas de cuatro cepas de A. gracile aisladas de una sola muestra de agua para cuestionar la diversidad intrapoblacional a una escala espacial baja.

Secuenciamos y ensamblamos los genomas de cuatro cepas de A. gracile (PMC627.10, PMC638.10, PMC644.10 y PMC649.10) primero aisladas de una sola muestra de agua y mantenidas en monocultivo (ver Métodos complementarios). Los genomas resultantes mostraron una integridad casi perfecta (del 99,18 % para PMC649.10 al 100 % para PMC638.10), pero estaban compuestos por numerosas secuencias, entre 65 (PMC627.10) y 238 (PMC644.10), debido a una gran número de secuencias repetidas. Los cuatro genomas eran muy similares en tamaño (5,40 ± 0,03 Mb), contenido de GC (38,35 ± 0,05 %) y número de tRNA (de 40 a 42) (Tabla 1). Cada cepa compartió con las demás una similitud de secuencia mínima del 99,86 % con el gen codificante del ARNr 16S, mientras que las secuencias ITS eran todas idénticas (Fig. S1). A nivel del genoma completo, la proximidad entre las cepas fue respaldada por ANI (identidad promedio de nucleótidos, tabla 1) por pares con valores ≥99,12 %. Tal nivel de similitud generalmente lleva a la conclusión de que los organismos relacionados pertenecen a la misma unidad taxonómica operativa y, por extensión, al mismo ecotipo que la pico-cianobacteria unicelular marina filogenéticamente distante, Prochlorococcus marinus, en la que la microdiversidad se ha estudiado a fondo [11]. . En ausencia de datos fisiológicos que confirmen los ecotipos de las cepas de A. gracile, estos hallazgos nos permiten interpretar la variabilidad interna de las cepas de A. gracile en un contexto de microdiversidad.

A pesar de la ausencia de diferencias evidentes entre los marcadores genéticos, la genómica comparativa reveló divergencias entre las cepas. Una representación sorprendente de esto es el bajo índice de sintenia de 77,01 ± 1,31 %, similar a los informados entre 12 cepas de Microcystis aeruginosa muestreadas en ubicaciones geográficas distantes (76 ± 4 %) [7]. Como se ejemplificó para PMC627.10, las variaciones del índice de sintenia a lo largo del genoma se asociaron significativamente con la distribución de frecuencias de los COG (prueba chi-cuadrado de Pearson, p < 2.2e−16), lo que significa que la baja sintenia se debió a la presencia o ausencia de genes específicos de cepa en lugar de reordenamientos intragenómicos (Fig. 1a). En total, entre los 5911 COG predichos en todos los genomas (4972 ± 28 por cepa; Tabla 1), el genoma central estuvo representado por solo el 67,97% de ellos (4018) (Fig. 1b). La fracción de genes accesorios constaba de casi la mitad (48,54 %) de genes únicos, es decir, genes específicos de cepa (entre 192 y 305 por genoma). La última fracción se enriqueció significativamente en genes que codifican transposasas y sistemas de defensa procarióticos. Estas subcategorías de "Replicación, Recombinación y Reparación" (categoría L de COG), así como Huérfanos (prueba t H0: sin diferencia, p < 0.01) generalmente se consideran marcadores de elementos genéticos móviles, aquí potencialmente involucrados en la plasticidad genómica en Aphanizomenon. Sorprendentemente, los COG relacionados con la biosíntesis de metabolitos secundarios (COG categoría Q) también se enriquecieron en fracciones accesorias (Fig. 1c).

a Representación del genoma PMC627.10 A. gracile que muestra desde el círculo interior al exterior: (i) la secuencia de ADN codificante (CDS) en ambas cadenas con grupos de genes biosintéticos (BGC) en negro, (ii) frecuencia (%) de grupos de genes ortólogos (COG) asociados a CDS en los cuatro genomas de A. gracile, (iii) el índice de sintenía y (iv) los andamios ensamblados más grandes (> 10 kb) que representan> 99% del genoma. b Diagrama de Venn de la distribución de COG y singletons con etiquetas blancas. c Porcentaje de categorías funcionales del COG con diferencias significativas (prueba t de Student con p < 0,01) entre conjuntos de genes centrales (blanco) y flexibles (rojo), incluido un enfoque en la categoría COG "Replicación, recombinación y reparación" (L). Categorías COG: B-"Estructura/dinámica de la cromatina", C-"Producción/conversión de energía", E-"Metabolismo/transporte de aminoácidos", F-"Metabolismo/transporte de nucleótidos", G-"Metabolismo/transporte de carbohidratos", H -"Metabolismo de coenzimas", I-"Metabolismo de lípidos", J-"Traducción", O-"Modificación postraduccional/recambio de proteínas/funciones de acompañante", P-"Transporte de iones inorgánicos/metabolismo", Q-"Metabolismo secundario" , y S-"Función desconocida". d Presencia o ausencia de BGC (categoría Q del COG) entre cepas de A. gracile y taxones cerrados de Nostocales reunidos por tipos de BGC ('-', producto no caracterizado). Los círculos sólidos indican BGC cuyos productos se han identificado formalmente mediante espectrometría de masas. Izquierda: árbol filogenómico (consulte Métodos complementarios y Tabla S1 para ver la lista de genes utilizados). Derecha: histograma que muestra el número de BGC por cepa coloreada por tipo de BGC. NRPS/PKS péptido sintetasa/policétido sintetasa no ribosomal, RiPP sintetizados ribosomalmente, péptidos modificados postraduccionalmente, terpenos y otros (no caracterizados). Las listas de BGC y analitos detectados en cada cepa se pueden encontrar en las tablas complementarias S2 y S3, respectivamente.

El estudio de los grupos de genes biosintéticos (BGC) del metabolito secundario de A. gracile reveló que sus repertorios eran únicos para cada cepa de A. gracile, con solo 8 BGC comunes a todas las cepas de un total de 22 BGC distintos caracterizados en estos genomas (Fig. 1d). Aunque variable, la composición de este conjunto de BGC parecía estar asociada al clado en el árbol de Nostocales, ya que el número de BGC en común con los genomas de A. gracile disminuyó al aumentar la distancia de su clado en el árbol filogenético. Los BGC accesorios estuvieron notablemente involucrados en la producción de carotenoides y shinorinas, ambos implicados en varios procesos adaptativos, incluida la fotoprotección [12, 13], y cianotoxinas (p. ej., puwainafitinas y saxitoxinas), cuya producción en los cultivos asociados se confirmó mediante espectrometría de masas de alta resolución. (Fig. S2, Tabla S3). Aunque no están bien caracterizadas, se cree que las cianotoxinas desempeñan un papel clave en la adaptación, dado el alto costo del mantenimiento de BGC en los genomas y los recursos necesarios para su producción. Por ejemplo, se supone que las saxitoxinas, que solo fueron sintetizadas en nuestro estudio por las cepas PMC 627.10 y PMC 638.10 a partir de su BGC de 26,5 kb de longitud, regulan la homeostasis del Na+ y se ha demostrado que se exportan de forma activa extracelularmente en condiciones de estrés por salinidad [14] .

Por último, el grupo de genes accesorios con anotaciones funcionales resolutivas a nivel del nombre del gen, reveló discrepancias potenciales en vías metabólicas importantes, como el metabolismo del azufre y la regulación de la fotosíntesis, aunque no pertenecían a las categorías COG enriquecidas en la fracción flexible (Supplementary Resultados y Tabla S4).

Después de diez años en cultivo, la deriva genética podría ser responsable en cierta medida de la diversidad genómica observada entre las cepas (p. ej., [15]). Sin embargo, dado que el número de proteínas en el pangenoma es mucho mayor que el de las cepas individuales de A. gracile, que está limitado por el tamaño de su genoma, esta diversidad probablemente refleja la verdadera diversidad genómica en la población natural, como ya se ha observado a nivel de genes marcadores individuales, como sxtA [16]. Nuestros resultados llevan a la conclusión de que la microdiversidad intrapoblacional podría ser una característica compartida en gran medida dentro del filo de cianobacterias. Por un lado, la presencia de genes accesorios relacionados con la regulación de la fotosíntesis y el metabolismo del azufre implica que muchas cepas con diversas capacidades de adaptación pueden prosperar hasta el desarrollo de la floración y coexistir a baja escala espacial. Por otro lado, la variabilidad entre cepas en la producción de metabolitos secundarios esenciales para los cuales los genes biosintéticos están especialmente enriquecidos en la fracción de genes accesorios, sugiere que algunas de estas moléculas podrían ser compartidas con las cianobacterias circundantes por las cepas productoras, lo que permitiría a la población para beneficiarse de sus funciones de adaptación al tiempo que limita los requisitos de recursos para los individuos. Por lo tanto, la evaluación de la extensión de la biodiversidad dentro de una población de cianobacterias en flor podría ser la piedra angular para el establecimiento de un marco teórico holístico de la dinámica de las floraciones de cianobacterias toxinogénicas.

Las cepas de PMC están disponibles previa solicitud (https://mcam.mnhn.fr/en/cyanobacteria-and-live-microalgae-1281). Las lecturas sin procesar se depositaron en la base de datos GENBANK Sequence Read Archive (SRA) en BioProject PRJNA693796, así como en ensamblajes de genoma de A. gracile (JAQSYX000000000, JAQSYY000000000, JAQSYZ000000000, JAQSZA000000000).

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SH desea agradecer a Claude Yéprémian por compartir su amplio conocimiento sobre las cianobacterias. Los autores agradecen a las "Colecciones de cianobacterias y microalgas eucariotas" y a la "Plateau Technique de Spectrométrie de Masse Bio-organique" (UMR 7245 MCAM) del MNHN, París, Francia.

Este trabajo fue apoyado por la subvención ATM "ECOL-Cyanomique" del departamento AVIV del MNHN, París. SKT fue financiado por una subvención ATER del MNHN.

Museo Nacional de Historia Natural, CNRS, UMR7245 Mecanismos de Comunicación y Adaptación de los Microorganismos, 12 rue Buffon, 75005, París, Francia

Sébastien Halary, Sébastien Duperron, Sandra Kim Tiam, Charlotte Duval, Cécile Bernard & Benjamin Marie

UMR5557 Laboratorio de Ecología Microbiana, Universidad de Lyon, 43 bd du 11 novembre 1918, Villeurbanne, F-69622, Lyon, Francia

Sandra Kim Tiam

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BM SH y concibió este estudio. CD realizó cultivo de biomasa y extracción de ADN. SH realizó la bioinformática. SKT y BM realizaron metabolómica. SH, BM, SD y CB analizaron los resultados. SH escribió el artículo con las contribuciones de todos los coautores.

Correspondencia a Sébastien Halary.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Halary, S., Duperron, S., Kim Tiam, S. et al. Diversidad genómica intrapoblacional de la cianobacteria formadora de flores, Aphanizomenon gracile, a baja escala espacial. ISME COMÚN. 3, 57 (2023). https://doi.org/10.1038/s43705-023-00263-3

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Recibido: 23 noviembre 2022

Revisado: 09 mayo 2023

Aceptado: 24 de mayo de 2023

Publicado: 07 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s43705-023-00263-3

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